Ảnh hưởng của lượng môi chất và góc làm việc đến khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt

Nội dung text: Ảnh hưởng của lượng môi chất và góc làm việc đến khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt

1. ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG MÔI CHẤT VÀ GÓC LÀM VIỆC ĐẾN KHẢ NĂNG TRUYỀN NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT EFFECT OF WORKING FLUID AND ANGLE OPERATION ON THE HEAT TRANSFER ABILITY OF HEAT PIPE Nguyễn Ngọc Phương 1, Phạm Sơn Minh 1, Nguyễn Tài Khanh 1, Nguyễn Văn Hên 1 1. Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM Tóm tắt Trong bài báo này, hiệu suất truyền nhiệt của ống nhiệt trọng trường sẽ được nghiên cứu với hai mức nhiệt độ làm việc: 120ºC và 140ºC. Để quan sát ảnh hưởng của lượng môi chất trong ống và vị trí làm việc của ống, quá trình gia nhiệt cho ống được tiến hành với mực nước thay đổi từ 10 mm đến 110 mm. Ngoài ra, quá trình này cũng sẽ được tiến hành với góc nghiên của ống tăng từ 30o đến 90o. Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ tại điểm trên và dưới của ống được thu thập và so sánh. Kế quả thực nghiệm cho thấy khi tăng lượng nước, khả năng truyển nhiệt của ống sẽ tăng, nhưng tốc độ gia nhiệt trong lúc khởi động sẽ chậm hơn. Khi tăng góc nghiêng từ 30o đến 90o, khả năng truyền nhiệt sẽ tăng theo. Ngoài ra, nhiệt độ tại điểm trên sẽ cao hơn nhiệt độ tại điểm dưới trong một số trường hợp. Từ khóa: Ống nhiệt, truyền nhiệt, thời gian gia nhiệt, môi chất. Abstract In this paper, the heat transfer coefficient of a gravity heat pipe will be studied under two working temperature as 120ºC và 140ºC. For observing the effect of working fluid and the working angle on the heat pipe, the heating process was achieved with the varing of working fluid amount from 10 mm to 110 mm and the raising of working angle from 30o to 90o. In the experiment, the temperature of the top and bottom point of heat pipe was collected and compared. The result shows that the heating coefficient of heat pipe will be improved with the more working fluid, however, the heating rate at the beginning will be slower. With the raising of working angle from 30o to 90o, the heat transfer coefficient will also higher. Addition, in some cases, the top temperature is higher than the bottom temperature. Keyword: Heat pipe, heat transfer, heating time, working fluid. 1. Giới thiệu chung Ống nhiệt là một ống thường bằng kim loại được hàn kín hai đầu, trong có chứa một lượng môi chất lỏng xác định [1]. Tùy theo từng loại ống nhiệt mà phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc gắn lưới mao dẫn, phía ngoài cũng có thể trơn hoặc làm cánh tản nhiệt. Khi ống nhận nhiệt (từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, từ khói thải của các nhà máy, từ năng lượng mặt trời, ) ở phần sôi hay phần cấp nhiệt của ống, môi chất bên trong ống (như nước, môi chất lạnh, kim loại lỏng, ) sẽ sôi và tạo ra hơi ở áp suất p1. Hơi tạo ra sẽ chuyển động lên phía trên là phần ngưng hay phần tỏa nhiệt của ống. Tại đây hơi tỏa nhiệt cho môi trường sẽ có nhiệt độ thấp hơn (như không khí, ) và ngưng lại thành chất lỏng ở áp suất p2. Khi dòng hơi chuyển động có tổn thất áp suất nên p1 > p2, nhưng tổn thất áp suất này nhỏ nên đa số các trường hợp ta coi p1 = p2 = p là áp suất của hơi bão hòa trong ống nhiệt. Chất lỏng ngưng được tạo ra tại bề mặt trong ống ở phần ngưng sẽ chảy về phần sôi ở phía dưới nhờ lực trọng trường. Như vậy điều kiện để ống nhiệt trọng trường có thể hoạt động được là phần cấp nhiệt (phần sôi) phải đặt thấp hơn phần tỏa nhiệt (phần ngưng) để tạo ra lực trọng trường tác dụng tới chất lỏng ngưng quay về phần sôi,. Hiện nay, ống nhiệt được chia làm 3 phần [2, 3]: phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng. 1
2. - Phần sôi: Phần này được đốt nóng bằng các nguồn nhiệt khác nhau, môi chất lỏng trong ống nhận nhiệt sẽ sôi và hơi bão hòa được tạo thành. - Phần đoạn nhiệt: Hơi bão hòa từ phần sôi sẽ chuyển động qua phần đoạn nhiệt lên phần ngưng. Sở dĩ gọi là phần đoạn nhiệt vì ở phần này không thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, nghĩa là ống được bọc cách nhiệt ở bên ngoài ở phần này. Phần này có thể có hoặc không có. - Phần ngưng: Hơi bão hòa lên tới phần ngưng nhả nhiệt cho môi chất làm mát ở bên ngoài ống và ngưng lại. Môi chất ngưng sẽ quay về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn hay lực ly tâm, Với khả năng truyền nhiệt rất tốt, ống nhiệt thường được sử dụng trong quá trình làm mát các linh kiện điện tử, Làm nóng nước sử dụng năng lượng mặt trời, chống tan băng các trụ của đường ống dẫn dầu, tái sử dụng nhiệt thải, Tuy nhiên, cho đến nay việc tính toán tìm ra thiết kế cũng như các thông số tối ưu của ống nhiệt vẫn cẩn được tiếp tục nghiên cứu. Trong đó, lượng môi chất nạp cho ống nhiệt [4, 5] và ảnh hưởng của góc nghiêng [6] đến khả năng hoạt động của ống nhiệt là hai thông số cần được tính toán cẩn thận nhằm đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị. 2. Phương pháp thí nghiệm Trong bài báo này, ống nhiệt có đường kính ngoài 42 mm, đường kính trong 36 mm, dài 460 mm sẽ được tiến hành gia công như Hình 1. Hai đầu của ống được lắp hai mặt bít có cùng đường kính ngoài với chiều dày 15 mm cho mặt dưới và 16.5 mm cho mặt trên. Hai mặt bít được khoan hai lỗ M6x1 để lắp cảm biến đo nhiệt. Ngoài ra, mặt bít dưới dưới sẽ được khoan 1 lỗ thông suốt để đưa môi chất làm việc vào trong ống. Trong nghiên cứu này, khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt sẽ được đánh giá bởi chênh lệch nhiệt độ giữa điểm trên (mặt bít trên) và điểm dưới (mặt bít dưới) thông qua hai cảm biến nhiệt độ. Tại đầu dưới của ống, điện trở vòng có công suất 350 W sẽ được dùng làm nguồn nhiệt trong quá trình thí nghiệm ống nhiệt. Ống nhiệt sẽ được tỏa nhiệt ra môi trường thông quá quá trình truyền nhiệt đối lưu với không khí. Trong nghiên cứu này, môi chất làm việc sẽ được dùng là nước. Để đánh giá ảnh hưởng của lượng môi chất đến khả năng truyền nhiệt, ống nhiệt sẽ được vận hành với các mức môi chất khác nhau: 10 mm, 30 mm, 50 mm, 70 mm, 90 mm, 110mm tính từ đáy của ống. Trong quá trình nghiên cứu, mỗi mực mước sẽ được tiến hành thí nghiệm với hai mức nhiệt độ làm việc của ống: 120ºC và 140ºC. Ngoài ra, góc làm việc của ống cũng sẽ được thay đổi với các góc như Hình 2. Tương tự như trường hợp thay đổi mực nước, mỗi góc làm việc cũng sẽ được tiến hành thí nghiệm với hai mức nhiệt độ làm việc của ống: 120ºC và 140ºC. Hình 1. Hình dáng và kích thước ống heat pipe Hình 2. Giá đỡ tạo góc nghiêng 2
3. 3. Phân tích kết quả thí nghiệm 3.1. Ảnh hưởng của lượng môi chất đến khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm trên và điểm dưới trong quá trình hoạt động của ống nhiệt với góc làm việc 60o và mức nhiệt độ làm việc 120ºC và 140ºC được trình bày như Hình 3a và Hình 3b. Kết quả này cho thấy với mực nước 10mm và 30 mm, vì mực nước thấp, không đủ cung cấp lượng nhiệt lớn để gia nhiệt nên nhiệt độ tại điểm trên khi được gia nhiệt cũng thấp. Nhiệt độ tại điểm trên không thể lớn hơn nhiệt độ tại điểm dưới. Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ tại điểm trên thấp hơn tại điểm dưới khoảng từ 30 oC – 40 oC. Với mực nước 50mm và 70 mm, kết quả đo lường cho thấy bắt đầu có sự thay đổi khi lượng nước nhiều hơn hai trường hợp đầu. Nhiệt độ tại điểm trên tăng cao do nhiệt lượng cung cấp từ hơi nước nhiều và nhanh hơn. Kết quả thí nghiệm cho thấy nhiệt độ tại điểm trên luôn cao hơn so với nhiệt độ làm việc tại điểm dưới từ 80C - 100C. Tiếp tục tăng lượng nước với mực nước 90mm và 110 mm, nhìn chung, do lượng nước lớn nên khả năng truyền nhiệt tốt. Tuy nhiên, tốc độ truyền nhiệt càng chậm vì cần phải có thời gian để nước bắt đầu sôi và bay hơi. Trong trường hợp này, nhiệt độ tại điểm trên cũng cao hơn tại điểm dưới khoảng 150C. Nhìn chung, các thí nghiệm về thay đổi mực nước và nhiệt độ làm việc của ống cho thấy khi lượng nước càng nhiều thì khả năng truyền nhiệt càng lớn, nhiệt độ tại điểm trên càng cao, tuy nhiên, tốc độ truyền nhiệt sẽ lâu hơn. Hình 3a. Thay đổi mực nước - giữ nguyên nhiệt Hình 3b. Thay đổi mực nước - giữ nguyên nhiệt độ độ làm việc 1200C, góc 600. làm việc 1400C, góc 600 3.2. Ảnh hưởng của góc làm việc đến khả năng truyển nhiệt của ống nhiệt Trong quá trình vận hành của ống nhiệt, góc làm việc là một trong những thông số quan trọng, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền nhiệt, đặc biệt với ống nhiệt trọng trường. Trong nghiên cứu này, mô hình ống nhiệt như Hình 1 sẽ được tiến hành thí nghiệm với mực nước 50 mm, nhiệt độ làm việc của ống là 120ºC và 140ºC, với các góc nghiêng khác nhau như Hình 2. Kết quả thực nghiệm được trình bày như Hình 4a và 4b. Các kết quả này cho thấy: Với góc nghiêng lớn nhất 300, tốc độ gia nhiệt tại điểm trên nhanh hơn so với các góc còn lại, tuy nhiên sự khác biệt này không đáng kể. Ngoài ra, nhiệt độ tại điểm trên có thể cao hơn tại điểm dưới. Vào khoảng từ 22 phút đến 27 phút, nhiệt độ tại điểm trên cao hơn hơn điểm dưới từ 50 oC – 60 oC. Với góc 450: Nhiệt độ tại điểm trên vượt cao hơn tại điểm dưới khoảng 100 oC. Tốc độ gia nhiệt cũng tương đối nhanh. Với góc 600 và 900, chênh lệch nhiệt độ giữa điểm trên và điểm dưới vẫn có, nhưng không rõ như trường hợp góc nghiêng 450. Với các thí nghiệm về góc nghiêng của ống nhiệt, ta có thể thấy khi góc nghiêng càng lớn, tốc độ truyền nhiệt càng nhanh và nhiệt độ tại điểm trên có thể lớn hơn nhiệt độ tại điểm dưới, cho thấy khả năng truyền nhiệt càng tốt. 3
4. Hình 4a. Thay đổi góc - giữ nguyên nhiệt độ làm Hình 4b. Thay đổi góc - giữ nguyên nhiệt độ làm 0 việc 120 C, mực nước 50mm. việc 1400C, mực nước 50mm. 4. Kết luận Qua quá trình thí nghiệm và đo kiểm thực tế, mô hình ống nhiệt đã được tiến hành nghiên cứu với các lượng môi chất làm việc thay đổi từ 10 mm đến 110 mm, ứng với hai mức nhiệt độ làm việc 120ºC và 140ºC. Ngoài ra, thông số về góc nghiêng của ống cũng được khảo sát với góc thay đổi từ 30o đến 90o. Qua quá trình phân tích kết quả thực nghiệm hai kết luận sau được đúc kết: Khi lượng nước càng nhiều thì khả năng truyền nhiệt càng lớn, nhiệt độ tại điểm trên càng cao, tuy nhiên, tốc độ truyền nhiệt sẽ lâu hơn. Khi góc nghiêng càng lớn, tốc độ truyền nhiệt càng nhanh và nhiệt độ tại điểm trên có thể lớn hơn nhiệt độ tại điểm dưới, cho thấy khả năng truyền nhiệt càng tốt. Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Thiên Hoàng - Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt trọng trường với môi chất nạp là ethanol, Luận văn Cao học, 2010, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2. S.M. Peyghambarzadeh, S. Shahpouri, N. Aslanzadeh, M. Rahimnejad, Thermal performance of different working fluids in a dual diameter circular heat pipe, Ain Shams Engineering Journal, Volume 4, Issue 4, December 2013, Pages 855-861 3. Chen-Ching Ting, Chien-Chih Chen, Experimental Analysis of Heat Transfer Behavior inside Heat Pipe Integrated with Cooling Plates, Engineering, 2011, 3, 959-964. 4. Marcos Vinício Oro, Edson Bazzo, Flat heat pipes for potential application in fuel cell cooling, Applied Thermal Engineering, Volume 90, 5 November 2015, Pages 848-857. 5. Xianping Chen, Huaiyu Ye, Xuejun Fan, Tianling Ren, Guoqi Zhang, A review of small heat pipes for electronics, Applied Thermal Engineering, Volume 96, 5 March 2016, Pages 1-17. 6. M.S. Naghavi, K.S. Ong, I.A. Badruddin, M. Mehrali, M. Silakhori, H.S.C. Metselaar, Theoretical model of an evacuated tube heat pipe solar collector integrated with phase change material, Energy, Volume 91, November 2015, Pages 911-924. 4
5. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ